本公开涉及电机。
背景技术：
在航空航天中，人们提倡采用更多电动引擎(mee)和更多电动飞行器(mea)概念，以大幅减少它们带来的燃料消耗和复杂性。然而，服务经验表明，此类配置的发电装置可能并且确实经常发生故障。此外，设备的电气方面被认为是复杂的系统，因此无法采用快速的认证方法。这对容错设计提出了要求。公认的做法是，在正常系统发生故障之前的平均时间足够长的基础上提供单个容错。
在一种已知方法中，每个引擎安装两个单独的起动发电机装置，每个起动发电机装置连接在附件齿轮箱上的相应衬垫处。在一台装置发生故障的情况下，另一台设备可以接管全部任务。然而，在无故障操作期间，此方法在功率、重量和安装体积方面伴随有100％的超额，以简单地满足单个容错的要求。
已经提出的其他方法涉及将两个起动发电机用公共外壳封装，使得它们共用公共轴，并且仅利用附件齿轮箱上的一个衬垫。这是可以实现的，因为公共机械零件可以被工程设计为具有足够低的故障率，使得故障的可能性极低，其中电气部件的双工提供单个容错。虽然这降低了安装复杂性并且在一定程度上减轻了重量，但是在发电容量方面仍然存在100％的超额。
而在较小的规模下，即对于飞行器燃料泵而言，本申请人已经开发了独立的四相驱动系统。使用独立的相驱动允许在单相出现故障的情况下，其余三相提供连续的操作。在此类配置中，容量的超额程度可以被限制为33％，从而导致电机重量显著减轻，尽管以更复杂的驱动系统为代价。
本发明的目的是在未来的mea兼容系统中应用这种四相方法。
本发明的目的是将这种四相方法应用于适于起动气体涡轮引擎并向飞行器提供功率的马达发电机。
本发明的目的是提供一种用于这种马达发电机的冷却方案。
本发明的目的是降低这种机器的组装复杂性。
技术实现要素：
本发明涉及径向磁通旋转电机。
一种此类电机具有在一个轴向末端处的第一端部和在另一个轴向末端处的第二端部，并且包括：
流体输入端，所述流体输入端用于在所述电机的所述第一端部处接收冷却剂；
转子，所述转子包括在所述电机的所述第一端部处的与所述流体输入端流体连通的径向叶轮，以及具有螺旋流体管道的多个永磁体，所述螺旋流体管道在所述多个永磁体下方并与所述叶轮流体连通；
定子，所述定子具有填充因数在零与一之间的多个狭槽，以在所述狭槽中限定轴向流体通道，所述流体通道在所述电机的所述第二端部处与所述螺旋流体管道流体连通；
流体输出端，所述流体输出端与所述流体通道流体连通。
在一个实施方案中，所述电机还包括导管，所述导管在所述轴向流体通道的每个端部处并被构造成限定通过所述定子的蛇形流体路径。
在一个实施方案中，所述定子包括：
磁轭，所述磁轭具有多个齿，每个齿从所述磁轭的根部延伸到尖端；
多个线圈，所述多个线圈中的每个线圈位于所述多个齿的相应一个齿上；
多个密封构件，所述多个密封构件中的每个密封构件与相邻齿的所述尖端接合，以周向和轴向地密封限定的所述狭槽，从而允许冷却流体在所述狭槽中流动。
在一个实施方案中，所述密封构件是磁性的。
在一个实施方案中，每个齿的所述尖端包括用于接收所述密封构件的轴向沟槽。
在一个实施方案中，所述线圈形成为具有大致平行四边形形状的横截面，使得所述轴向流体通道具有三角形的横截面。
在一个实施方案中，所述电机具有0.22至0.28的狭槽填充因数。
在一个实施方案中，所述定子内径与所述定子外径的比率为0.6至0.7。
在一个实施方案中，所述定子内径与所述定子外径的比率为0.63至0.67。
在一个实施方案中，每个齿在其根部处的宽度大于或等于其在所述尖端处的宽度，以在所述根部与所述尖端之间限定半封闭的狭槽。
在一个实施方案中，绕线齿的宽度大于退绕齿的宽度。
在一个实施方案中，所述绕线齿的宽度是所述退绕齿的宽度的两倍。
在一个实施方案中，所述转子包括以海尔贝克(halbach)阵列布置的永磁体。
在一个实施方案中，所述定子是具有十六个狭槽和四个线圈对的交替缠绕的定子，每个线圈对形成四个独立电相中的一个电相的一部分并且包括隔开180机械度的线圈。
在一个实施方案中，所述冷却剂是油。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述实施方案，附图仅为示意图并且未按比例绘制，并且在附图中：
图1示出了用于飞行器的涡轮风扇引擎的总体布置结构，包括用于飞行器的马达发电机和两个dc总线；
图2示出了用于图1的马达发电机的电驱动系统；
图3是图1的马达发电机的绕组方案的示意图；
图4是图5的i-i上的马达发电机的径向横截面；
图5是图4的ii-ii上的马达发电机的轴向横截面；
图6是马达发电机的定子的放大图；
图7是马达发电机中的冷却剂流动的示意图；
图8a是马达发电机的转子的内部转子部件的端视图；
图8b是马达发电机的转子的内部转子部件的侧视图；
图8c是在图4的弧形部分iii-iii处的定子冷却路径的展开平面图；
图9a是马达发电机发电机的定子的另一放大图；
图9b是马达发电机的定子中的密封元件的等轴视图；
图10示出了由图2的电驱动系统的控制器执行的步骤；
图11示出了由控制器响应于相故障而执行的步骤；
图12示出了由控制器响应于总线故障而执行的步骤。
具体实施方式
图1
图1示出了用于飞行器的引擎101的总体布置结构。在本实施方案中，引擎101具有涡轮风扇配置并因此包括导管风扇102，该导管风扇接收进气a并生成两股加压气流：轴向穿过旁路导管103的旁路流b和进入核心气体涡轮的核心流c。
核心气体涡轮包括以轴流串的低压压缩机104、高压压缩机105、燃烧器106、高压涡轮107和低压涡轮108。
在使用中，核心流c由低压压缩机104压缩，并且然后被引导至高压压缩机105中以进行进一步的压缩。从高压压缩机105排出的压缩空气被引导至燃烧器106中，在该燃烧器中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。所得的热燃烧产物然后膨胀通过并由此驱动高压涡轮107，并且继而在驱动低压涡轮108之后被排出以提供总推力的一小部分。
高压涡轮107通过互连轴来驱动高压压缩机105。低压涡轮108通过另一个互连轴来驱动低压压缩机104。高压压缩机105、高压涡轮107和相关联的互连轴一起形成引擎101的高压滑阀的一部分。类似地，低压压缩机104、低压涡轮108和相关联的互连轴形成引擎101的低压滑阀的一部分。此类术语对于本领域技术人员将是熟悉的。
风扇102由低压涡轮108经由呈行星构型的周转齿轮箱109形式的减速齿轮箱驱动。因此，在该配置中，低压涡轮108与齿轮箱109的太阳齿轮连接。太阳齿轮与位于旋转架中的多个行星齿轮啮合，这些行星齿轮继而与静止环形齿轮啮合。旋转架经由风扇轴110驱动风扇102。
应当理解，在另选的实施方案中，可以替代地使用恒星构型的周转齿轮箱(其中行星架是静止的并且环形齿轮旋转并提供输出)。
如前所述，希望在机身和引擎上实现更大程度的电气功能。为此，引擎101包括具有常规驱动配置的高压滑阀驱动的安装在芯上的附件齿轮箱111，并且该附件齿轮箱具有安装在其上的马达发电机112。除了作为发电机向安装有引擎101的飞行器提供电力之外，马达发电机112还可以驱动高压滑阀以代替空气涡轮起动器来促进引擎101的起动。
当然，本领域技术人员将认识到，可以采取用于马达发电机112的任何合适的位置。例如，马达发电机112可以安装在高压压缩机105的轴向前方的引擎中心线上，直接与高压滑阀连接。
在本示例中，马达发电机112响应于从引擎电子控制器(eec)113接收的命令信号而操作，该引擎电子控制器又响应于从安装有引擎的飞行器接收的需求信号。在本实施方案中，eec113是全权限数字引擎控制器(fadec)，其构型将是本领域技术人员已知和理解的。
在本文设想的实施方式中，马达发电机112被配置为使得其可以将电功率输出到两个dc总线或从两个dc总线接收电功率—设想用于将来更多的电动飞行器平台的配置。将参考图2描述该电驱动系统的配置。然而，本领域技术人员将认识到，在另选的实施方式中，电功率可以在引擎101的起动过程期间通过交流电源例如从外部电源提供到马达发电机112。
将参考图3至图6描述马达发电机112的容错径向磁通配置。
将参考图7至图9b描述用于马达发电机112的冷却系统。
将参考图10至图12描述响应于马达发电机112或更广泛的电驱动系统中的不同故障的控制策略。
引擎101的各种实施方案可包括以下特征中的一者或多者。
应当理解，代替具有导管风扇布置结构的涡轮风扇，引擎101可以替代地是包括用于产生推力的推进器的涡轮螺桨发动机。
低压压缩机104和高压压缩机105可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶，该排定子轮叶可为可变定子轮叶(因为该排定子轮叶的入射角可以是可变的)。除轴向级之外或代替轴向级，低压压缩机104或高压压缩机105可包括离心压缩级。
低压涡轮107和高压涡轮108也可包括任何数量的级。
风扇102可具有任何期望数量的风扇叶片，例如16、18、20或22个风扇叶片。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率—毂部-尖端比率—可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。毂部-尖端比率可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。毂部-尖端比率都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片在其前缘处的尖端之间测量该风扇102的半径。风扇直径可以大于(或大约为)以下中的任何一个：2.5米、2.6米、2.7米、2.8米、2.9米、3米、3.1米、3.2米、3.3米、3.4米、3.5米、3.6米、3.7米、3.8米或3.9米。风扇直径可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
风扇102的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在2.5米至3米(例如2.5米至2.8米)范围内的引擎，在巡航条件下风扇102的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，或例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在3.2米至3.8米范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1600rpm的范围内。
在使用引擎101时，(具有其相关联的风扇叶片的)风扇102围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度u尖端移动。风扇叶片对流所做的功导致流的焓升dh。风扇尖端负载可被定义为dh/u尖端2，其中dh是跨风扇的焓升(例如一维平均焓升)，并且u尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一个：0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎101可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路导管的流b的质量流率与穿过核心的流c的质量流率的比率。取决于选定构型，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5或17。该旁路比率可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。该旁路导管可以是基本上环形的。该旁路导管可位于核心引擎的径向外侧。旁路导管的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
引擎101的总压力比可以被定义为风扇102上游的滞止压力与高压压缩机105的出口处(进入燃烧器之前)的滞止压力的比率。以非限制性示例的方式，引擎101在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎101的比推力可被定义为引擎101的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，引擎101的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110nkg-1s、105nkg-1s、100nkg-1s、95nkg-1s、90nkg-1s、85nkg-1s或80nkg-1ss。比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
引擎101可以具有任何期望的最大推力。例如，引擎101可以能够产生至少(或大约)为以下任何一个的最大推力：160千牛顿、170千牛顿、180千牛顿、190千牛顿、200千牛顿、250千牛顿、300千牛顿、350千牛顿、400千牛顿、450千牛顿、500千牛顿或550千牛顿。最大推力可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15摄氏度(环境压力101.3千帕，温度30摄氏度)、引擎101静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮107的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为涡轮入口温度或tet，可在燃烧器106的出口处测量，例如直接在其本身可被称为喷嘴导向轮叶的第一涡轮轮叶的上游测量。在巡航时，tet至少可以是(或大约为)以下中的任何一个：1400开尔文、1450开尔文、1500开尔文、1550开尔文、1600开尔文或1650开尔文。巡航时的tet可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。例如，引擎101的在使用中的最大tet可以是至少(或大约为)以下的任何一个：1700开尔文、1750开尔文、1800开尔文、1850开尔文、1900开尔文、1950开尔文或2000开尔文。最大tet可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。可以例如在高推力条件下发生最大tet，例如在最大起飞(mto)条件下发生最大tet。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或基于铝的材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他材料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体。
风扇102可包括中央毂部部分，风扇叶片可从该中央毂部部分例如沿径向方向延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央毂部部分整体地形成。此类布置结构可以是叶片盘状部或叶片环。可以使用任何合适的方法来制造此类叶片盘状部或叶片环。例如，风扇叶片的至少一部分可由胚料加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
引擎101可以被设置有可变面积喷嘴(van)。此类可变面积喷嘴可允许旁路导管的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有van的引擎。
如本文所用，巡航条件具有常规含义并且将易于被技术人员理解。因此，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，技术人员将立即认出意指给定任务(其在本领域中可被称为“经济任务”)的中间巡航的引擎的操作点的巡航条件可以指气体涡轮引擎被设计为附接的飞行器的巡航条件。就这一点而言，中间巡航是飞行器飞行周期中的点，在该点处，在上升顶部和下降开始之间燃烧的总燃料的50％已燃烧(其可近似于中点)。这样的巡航条件可以常规地定义为中间巡航处的条件，例如，飞行器和/或引擎在上升顶部与下降开始之间的中点(就时间和/或距离而言)所经历的条件。因此，巡航条件定义气体涡轮引擎的操作点，该操作点在考虑提供给气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的引擎数量的情况下，提供将确保该飞行器在中间巡航时的稳态操作(即，保持恒定的高度和恒定的马赫数)的推力。例如，如果引擎被设计为附接到具有两个相同类型的引擎的飞行器上，则在巡航条件下，引擎提供该飞行器在中间巡航时稳态操作所需的总推力的一半。
换句话讲，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，巡航条件被定义为在中间巡航大气条件(在中间巡航高度下由根据iso2533的国际标准大气定义)下提供指定推力的引擎的操作点(需要在给定中间巡航马赫数下，与飞行器上的任何其他引擎相结合，提供气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的稳态操作)。对于飞行器的任何给定气体涡轮引擎而言，中间巡航推力、大气条件和马赫数是已知的，因此在巡航条件下，引擎的操作点是明确定义的。
巡航条件可对应于处于10000米至15000米的范围内的高度处的isa标准大气条件，诸如10000米至12000米、或10400米至11600米(约38000英尺)、或10500米至11500米、或10600米至11400米、或10700米(约35000英尺)至11300米、或10800米至11200米、或10900米至11100米、或11000米。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
在巡航条件下的前进速度可以是从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如以下中的一个：0.75马赫至0.85马赫、0.76马赫至0.84马赫、0.77马赫至0.83马赫、0.78马赫至0.82马赫、0.79马赫至0.81马赫、0.8马赫、0.85马赫、或0.8马赫至0.85马赫的范围内。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
因此，例如，巡航条件可以具体对应于23千帕的压力、负55摄氏度的温度和0.8的正马赫数。
然而，当然可以理解，本文要求保护的本发明的原理仍然可以应用于具有落在上述参数范围之外的合适设计特征的引擎。
图2
如前所述，在一个方面，马达发电机112被配置为使得其可以在更多电动飞行器安装中将电功率输出到两个dc总线或从两个dc总线接收电功率。图2中以逻辑单线图的形式示出了此类系统，在下文中称为电驱动系统。
马达发电机112包括四个相连接φa、φb、φc和φd，它们各自与相应的独立相驱动电路201、202、203和204的ac侧连接。如将参考图3所描述的，在本实施方案中，马达发电机112的内部拓扑结构为双工四相配置，因此在实施过程中可以提供附加的一组连接以提供并联连接。另选地，可以串联连接到马达发电机112的内部或外部。
再次参考图2，在本实施方案中，相驱动电路201至204是双向转换器电路。在具体的实施方案中，相驱动电路201至204是伴有适当的滤波器的h桥，但是应当理解，可以使用任何其他适当的双向转换器拓扑，诸如中性点钳位转换器拓扑或伪谐振软开关全桥拓扑。
相驱动电路201至204在控制器205的控制下操作，该控制器协调相驱动电路201至204的操作以适当地实现整流或反相。
在本实施方案中，控制器205又以已知的方式在eec113的控制下以马达或发电机模式操作。
相驱动电路201至204的dc侧连接到第一dc总线206和第二dc总线207。在相驱动电路201至204的dc侧与第一dc总线206和第二dc总线207之间的一组八个电接触器208至215在它们之间提供可重新配置的连接和隔离。在本配置中，接触器208至215在控制器205的控制下操作。在无故障操作模式中，马达发电机112的相φa和φc连接到第一dc总线206，并且马达发电机112的相φb和φd连接到第二dc总线207。这可以通过控制器205将接触器208、211、212和215设置为闭合条件并且将接触器209、210、213和214设置为断开条件来实现。
如将参考图3和图4描述的，系统的此配置允许在无故障操作期间每个相φa、φb、φc和φd保持隔离。
将参考图10至图12进一步描述控制器205响应于故障条件的操作。
当然，应当理解，可以采用具有减少的接触器计数的其他配置，例如利用熔断器隔离故障元件。
图3
图3中以示意图的形式示出了马达发电机112的绕组配置。
马达发电机112包括位于定子302内部的转子301。转子301具有永磁体配置，并且在该示例中具有14个极，即，极对数p＝7。
定子302被配置为交替缠绕的定子，并且在该示例中具有十六个齿，该十六个齿限定十六个狭槽，即槽数ns＝16。八个均匀间隔的线圈303至310位于交替的齿上，使得每个狭槽有一个线圈侧—此布置结构也可以称为模块化绕组。这在线圈之间提供了物理隔离、热隔离、电隔离和磁隔离，从而提供了容错能力。在具体的实施方案中，线圈303至310被配置为精密线圈，即，相同地形成的线圈，使得每个线匝在线圈上占据特定的预定位置。
在一个实施方案中，通过将每个线圈配置为具有约一的每单位电感来适应短路。在一个实施方案中，每单位电感为1.1至1.4，这可以通过提供适当的绝缘和冷却能力来适应，而不会在正常操作期间强加与严格的每单位电感设计一样高的损耗。在具体的实施方案中，每单位电感为1.25。这样，短路电流被限制为1.25正常操作值。
在一个实施方案中，采用形成较小的端部绕组的不重叠绕组方法，这提高了效率。
在本示例中，选择p值和ns值导致槽数和极数的分数比(8/7)，这导致低齿槽转矩。此外，假定极数2p和槽数ns仅相差2，则槽距与改善磁链的极距几乎相同。
形成图2的电驱动系统的一部分，马达发电机112被配置为四相机器。如前所述，定子302包括八个线圈303至310。在本实施方案中，马达发电机被配置为双工四相机器，其中间隔180度的线圈对形成同一相的一部分。在本示例中，各个线圈与相应的相驱动电路并联连接，但是可以设想它们也可以串联连接。例如，可以根据布置电缆的能力和/或终端的安装空间范围等来进行选择。
因此，在本示例中，线圈303和307形成间隔180度的线圈对。两个线圈均形成相φa的一部分，其中线圈303标记为φa1，并且线圈307标记为φa2。类似的角度间隔、命名和标记应用于其他线圈。因此，可以看出，相φb与φa间隔 45度，相φc与φa间隔 90度，并且相φd与φa间隔 135度。
本文采用的将线圈配对在一起的方法意味着机器是机械平衡的，特别是在一个或多个相可能被禁用的故障条件期间。
在本实施方案中，转子301包括14个永磁体311。在具体的实施方案中，磁体311以海尔贝克阵列布置。海尔贝克阵列转子产生较大的总磁通，因此对于给定量的磁性材料产生功率容量，并且还趋于产生接近正弦的气隙磁通分布，其实现平稳操作。在本实施方案中，磁体311是钐钴磁体，由于其相对较高的温度能力而选择该材料。可以设想，如果可以保证足够的冷却能力，则可以替代地使用钕磁铁。应当理解，可以用其他已知的合适的永磁体材料替代。
图4和图5
马达发电机112的实施方案的径向和轴向横截面分别在图4(横截面i-i)和图5(横截面ii-ii)中示出。
定子302包括磁轭401，线圈303至310安装在该磁轭上。在本实施方案中，定子302中的每个狭槽由带有线圈的绕线齿和不带有线圈的退绕齿限定。
在本实施方案中，磁轭401由已知类型的叠片堆形成。在具体的实施方案中，叠片是铁钴叠片，但是硅铁或任何其他合适的叠片材料也可以用作替代。在本实施方案中，叠片的厚度为0.2毫米，但是应当理解，可以选择其他合适的厚度以平衡损耗和制造复杂性等。
转子301包括中空外部磁体载体503，永磁体311通过诸如碳纤维或类似物的绑带而保持在该中空外部磁体载体中。在本实施方案中，转子301的半径与永磁体311的径向深度的比率为0.2至0.3。在具体的实施方案中，该比率为0.25。这提供了必需的额定功率，尽管为了容错而采用了高电感配置。此外，选择上述范围内的比率减小了由于高温操作(诸如在短路故障条件期间)而引起的去磁的可能性。
在具体的实施方案中，中空外部磁体载体503包括在永磁体311下方的沟槽，以减小涡流损耗。这样，中空外部磁体载体503可以被制造为单件式部件，而不是必需为分段设计。
转子还包括内部部件504(图8b)，在该实施方案中，该内部部件被压配合到外部磁体载体503中，驱动轴505通过花键(未示出)接合到该外部磁体载体中。
如将参考图7进一步描述的，在本示例中，马达发电机112结合各种特征部以便于冷却剂穿过机器以实现热量的去除。在转子301的非驱动端处设置有流体入口506，在马达发电机112的基部处设置有流体出口507。参考图5，在具体的实施方案中，冷却剂是油，其因此也可以用于润滑转子轴承501和502。
图6
图5中示出了定子302的四个狭槽的放大图。
如前所述，磁轭401具有限定于其上的多个齿。在本示例中，齿被分为一组带有线圈(例如线圈303)的绕线齿601和一组退绕齿602。
在本实施方案中，绕线齿601的宽度大于退绕齿602的宽度。由于线圈节距趋于与极距相同，因此这增加了磁链的程度。在具体的实施方案中，绕线齿的宽度是退绕齿的宽度的两倍。
此外，在本实施方案中，每个齿在其根部处的在周向方向上的宽度wr大于或等于其在尖端处的宽度wt。因此，齿具有梯形的圆周轮廓。已经发现，这使得转矩波动的有利减小。此外，梯形的圆周轮廓沿每个齿的径向范围保持恒定的磁通密度，这防止了可能限制高负载下的性能的局部饱和。
在本实施方案中，齿601和602的几何构型使得狭槽的横截面为大致梯形。
在本实施方案中，定子槽比率为0.6至0.7，该定子槽比率是定子槽内径
如图所示，线圈诸如线圈303由多匝绝缘导线形成。在本实施方案中，导线是换位导线。换位导线是多股导线，其中每根股线均为绝缘的并且为了沿特定长度占据每个可能位置而换位。股线的换位可以是连续的、离散的或无规的。这样，当导线暴露于磁场时，每根股线将通常与跟每一其他股线相同数量的磁通线相连，从而在股线之间平均地划分电流。股线具有足够小的直径以致可能发生小的集肤效应，从而减少由旋转转子场引起的感应涡流带来的损失。
在具体的实施方案中，换位导线是绞合导线。绞合导线是一种特定类型的换位导线，其中圆形横截面的股线沿电缆长度连续地换位。然而，应当理解，可以替代地使用其他换位导线，诸如使用在离散间隔处换位的矩形股线的罗贝尔导线。
在本实施方案中，线圈被配置为提供大于零且小于一的狭槽填充因数。
在具体的实施方案中，狭槽填充因数为0.22至0.28。在更具体的实施方案中，狭槽填充因数为0.26。这样，当安装在绕线齿601上时，在与退绕齿602相邻的每个狭槽中形成空隙603。
在本示例中，线圈形成为大致平行四边形形状的横截面。因此，在本示例中，空隙603的横截面为三角形，其大小由齿的大小和线圈的大小确定。
如将参考图7a和图7b进一步描述的，形成在狭槽中的空隙603可以用作轴向冷却通道，以用于冷却剂从中流过以冲击冷却线圈303至310。
图7、图8a、图8b和图8c
如前所述，在本实施方案中，马达发电机112包括冷却剂，以促进转子和定子的冷却。图7示出了冷却剂通过马达发电机112的流动的示意图。
冷却剂(如前所述)经由入口506进入，该冷却剂可以是油，但替代地也可以是另一种合适的冷却流体诸如乙二醇等。流体入口506通向在马达发电机112的非驱动端处安装到内部部件504的径向叶轮701。
现在参考图8a，其是径向叶轮701的端视图，转子501和叶轮701的旋转因此导致冷却剂沿箭头r的方向径向分流。这伴随着离心压力上升。
简要地参考图5，将看到，径向叶轮701中的冷却剂被外部磁体载体503容纳，因此，如图7所示，被迫进入螺旋路径。
内部部件504的侧视图在图8b中示出，并且示出了形成在该内部部件上的螺旋通道801。螺旋通道801与外部磁体载体503的内表面一起在永磁体311下方形成螺旋流体管道。在操作中，螺旋流体管道用作阿基米德螺杆，以沿着磁体311的下侧抽出冷却剂以从中去除热量。
在行进穿过螺旋流体管道到达马达发电机112的驱动端之后，冷却剂然后在收集器(图5中的508)中出现，并被分流以行进穿过定子槽中的轴向流体通道。
在本实施方案中，冷却剂所经过的路径在图8c中示出，该图是图4的圆周截面iii-iii的展开平面图。如图所示，冷却剂沿着蛇形路径穿过定子槽中的轴向流体通道，这通过互连导管802而促进。其他180度的定子采用类似的配置。最终，在穿过定子槽中的轴向流体通道之后，冷却剂经由流体输出端507离开马达发电机112。
在另选的实施方案中，冷却剂可以替代地从螺旋流体管道输送到在马达发电机112的驱动端处的第一歧管中，于是冷却剂可以平行于例如所有轴向流体通道输送。然后可以布置第二歧管以在马达发电机112的非驱动端收集冷却剂，并将其输送到在同一端部处的流体出口。应当理解，另选地，在驱动端处的第一歧管可被布置成使冷却剂穿过轴向流体通道的一部分，而导管使冷却剂穿过其余的轴向流体通道返回到在驱动端处的第二歧管以便固结并经由流体出口507输出。实际上，可以设想，可以采用此类或其他方法的组合。
可以设想，马达发电机112可以使用与引擎101的其余部分相同的油系统，因此冷却剂将是飞行器引擎油。应当注意，参考图7描述的冷却剂回路的显著优点在于，在转子301与定子302之间不存在气隙的溢流，这显著减少了油的加热和油的搅动。
图9a和图9b
在本实施方案中，磁轭401上的齿601和602是直齿构型，名义上提供开口槽。这样，在将线圈303至310放置在磁轭401上之前，可以不将它们形成在铁上。另选地，线圈303至310可以缠绕在铁上，并且本领域技术人员将理解，由于开口槽的缘故，这样做的过程不那么复杂。
因此，在图9a和图9b中示出了用于密封空隙603以防止冷却剂泄漏的方法。在本实施方案中，设置密封构件901以密封空隙603。密封构件901与相邻齿的尖端接合以周向和轴向地密封空隙603。
在正常的电机设计中，由于漏磁通对产生转矩没有贡献，因此最好减少漏磁通。然而，如前所述，为了容错，希望获得接近于一的每单位电感。开口槽设计通常不利于该要求，因为齿尖端泄漏通常是永磁体电机中总漏磁通的很大一分量。
因此，密封构件901由磁性材料构成，以在齿尖端之间提供磁通路径以增加漏磁通。应当理解，可以选择密封构件901的径向厚度和磁导率以实现所需的漏磁通并因此获得所需的电感。在本实施方案中，密封构件由软磁复合(smc)材料形成，该软磁复合材料由玻璃纤维环氧树脂构成，该玻璃纤维环氧树脂具有分布在其中的铁粉。尽管可以设想，可以使用具有分布的气隙的替代材料(即，填充物中的磁性材料颗粒)，诸如钼坡莫合金粉末或类似物。
可以通过改变密封构件901的磁导率来控制漏磁通。这样，可以通过适当选择密封构件的材料磁性属性来控制每单位电感，从而控制短路电流特性。
在一个实施方案中，密封构件901的饱和磁通密度不同于定子磁轭401的其余部分的饱和磁通密度。这样，与发电操作模式相比，电机在马达操作模式期间的特性有所不同。特别地，在马达操作模式下，可以使密封构件901饱和，这又减小了每个线圈的总电感。这进而引起功率因数变化，从而降低了驱动电压，以在给定的频率下获得相同的电流。然而，在发电操作模式期间，唯一的磁通是由磁体311产生的磁通，因此不会发生密封构件的饱和以及伴随的电感减小。
在有效地形成封闭的狭槽中使用密封构件901的另一个优点是，转子301被屏蔽而不受在相位驱动电路201至204切换线圈303至310期间可能存在的任何杂散电场的影响。在操作中，杂散磁场会导致转子上积聚电荷，特别是在切换速度较高且功率输出较高的情况下。否则，这种积累的电荷可能未被抑制而随后通过轴承501和502的油膜放电，从而导致电蚀并缩短轴承寿命。
如图9a所示，绕线齿601和退绕齿602的齿尖端均包含轴向沟槽902。现在参考图9b，该图是密封构件901的等轴视图，在每侧上设置有对应的轴向肋903，用于与轴向沟槽902配合，以便将密封构件保持在适当的位置。
因此，为了组装马达发电机112的本实施方案，可以遵循以下过程。在获得磁轭401之后，将线圈303至310放置在其上。如前所述，线圈可以不形成在铁上，并且可以简单地放置在绕线齿601上，或者另选地可以使用已知技术(例如发夹缠绕或类似方法)将它们直接缠绕在绕线齿601上。然后使密封构件901与磁轭401上的齿601和602接合。在其中齿具有轴向沟槽902并且密封构件901具有轴向肋903的本实施方案中，这可以通过使密封构件轴向滑动成接合来实现。
在一个实施方案中，该过程还可以包括执行真空压力浸渍(vpi)过程以将密封构件901密封到磁轭401。如本领域技术人员将认识到的，这涉及在密封构件901与齿601和602接合之后将清漆或树脂施涂到定子302的内表面，此后该组件旋转同时经受真空，随后经受高压气氛。这填充了组件中的任何间隙，并且消除了对定子套筒的需要，以防止冷却剂泄漏到气隙中。
应当理解，冷却构型和密封构件的使用可以应用于具有不同数量的齿和线圈的电机，例如应用于具有四个或更多个齿和交替缠绕的定子(即n/2个线圈)的电机。
图10
如先前参考图2所述，控制器205控制相驱动器201至204的操作以及接触器208至215的状态。这样，电驱动系统可以响应于马达发电机112中以及第一dc总线206和第二dc总线207两者上的故障。
由控制器205在操作中执行的步骤在图10中列出。在步骤1001处，控制器205开始标准无故障操作，在本实施方案中，该标准无故障操作受eec113的指导，即，作为马达操作以开始引擎101的起动或以其他方式增加转矩，或作为发电机操作以向第一dc总线206和第二dc总线207供电。
一段时间后，可能会发生两种类型的故障中的一种。在一些情况下，由于相驱动器201至204中的一个或多个相驱动器、马达发电机112自身中的相中的一个相的问题，或者可能由于相驱动器与马达发电机之间的导线的问题，可能发生相故障1002。
可以基于每个相的电流或电压中的任何一者的测量来感测此类故障。例如，可以使用过电流保护、接地故障保护、单元(或差动)保护和负相序保护中的一者或多者来感测故障。该故障可由电流互感器和电压互感器或数字等效物中的一者或多者来感测。
响应于识别出此类故障以及此类相中的一个相的操作丢失，控制器205进行到步骤1003，在该步骤中，相故障减轻。将参考图11描述在步骤1003期间执行的过程。
另选地，总线故障1004发生在第一dc总线206和第二dc总线207中的一者上。响应于此，在步骤1005处，控制器205调用过程以重新配置到dc总线的连接。将参考图11描述在步骤1003期间执行的过程。
因此，控制器205中的功能允许电驱动系统在相驱动电路201至204的ac流侧上存在单个故障并且在相驱动电路201至204的dc侧上存在单个故障的情况下继续操作。即使当进入故障操作模式时，马达发电机112的配置也使得另外的故障不会导致危险或灾难性事件。这是由于模块化相绕组保证了相的充分独立性。当本文描述的系统应用于航空航天环境时，这是特别有利的，因为可以在电驱动系统中具有单个故障的情况下调度飞行器，这允许有足够的时间来组织修理并且飞行器返回到服务位置。
图11
在图11中列出了当以马达操作模式操作时在步骤1003期间执行的过程。
在发生相故障1002之后，在步骤1101处，识别出故障相。在步骤1102处，询问哪个相经历了故障。
如果故障相是相φa或相φc，则控制进行到步骤1103，其中两个对应的相驱动电路均被禁用。在本实施方案中，这将是相驱动器201和203。因此，将理解为什么在本实施方案中采用先前参考图3描述的双工绕组方案是特别有利的，因为在这种故障条件下，当仍仅在相位φb或φd下操作时，可以保持机械平衡。
相反，如果故障相是相φb或相φd，则控制从步骤1102进行到步骤1104，在步骤1104中，这两个相驱动电路均被禁用。在本实施方案中，这将是相驱动器202和204。
响应于相故障，可以在发电机操作模式下执行类似的过程。遵循这些过程，然后在一个实施方案中，其余的操作相与两个dc总线连接以维持对其的供电。
图12
在步骤1005期间执行的过程在图12中列出。
在发生总线故障1004之后，在步骤1201处，识别出故障总线。在步骤1202处，询问哪根总线经历了故障。
如果故障总线是第一dc总线206，则控制进行到步骤1203，在该步骤1203中，控制器205断开接触器208和212(分别对应于相φa和相φc)与第一dc总线206。在步骤1204处，控制器205闭合接触器209和213(分别对应于相φa和相φc)与第二dc总线206。因此，该重新配置从所有相φa、φb、φc和φd供应第二dc总线206。
如果故障总线是第二dc总线207，则替代地控制从步骤1202进行到步骤1205，在该步骤1205中，控制器205断开接触器211和215(分别对应于相φb和相φd)与第二dc总线207。在步骤1204处，控制器205闭合接触器210和212(分别对应于相φb和相φd)与第一dc总线205。因此，该重新配置从所有相φa、φb、φc和φd供应第一dc总线205。
在将来的某个时间点，dc总线故障可能会清除，在这种情况下，控制器205可能会反转上述操作，以将电驱动系统重新配置回其正常操作模式。
应当注意，虽然已经参考用于飞行器的涡轮风扇引擎101描述了本实施方案，但是应当理解，所描述的电气系统和电机的原理可以应用于其他装置，例如在海洋环境中诸如由气体涡轮提供动力的海军舰船上，或者在能量产生环境中诸如在利用燃烧天然气的气体涡轮的电站中，或者任何其他合适的应用。
此外，可以设想，本文所述的电气系统和电机配置可以被扩展以促进旋转电机与其他类型的旋转机器的连接。例如，旋转电机可以与其他类型的热力引擎连接，例如内燃机，诸如往复式或旺克尔式引擎。可以连接其他类型的热力引擎，诸如根据兰金循环操作的蒸汽涡轮。
已经描述了多种示例，每个示例都包括各种特征部的组合。本领域技术人员将理解，除非明显相互排斥，否则任何特征可单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本发明扩展到并包括本文所述的一个或多个特征的所有组合和子组合。
1.一种具有在一个轴向末端处的第一端部和在另一个轴向末端处的第二端部的径向磁通旋转电机(112)，包括：
流体输入端(506)，所述流体输入端用于在所述电机的所述第一端部处接收冷却剂；
转子(301)，所述转子包括在所述电机的所述第一端部处的与所述流体输入端(506)流体连通的径向叶轮(701)，以及具有螺旋流体管道(801)的多个永磁体(311)，所述螺旋流体管道在所述多个永磁体下方并与所述叶轮(701)流体连通；
定子(302)，所述定子具有填充因数在零与一之间的多个狭槽，以在所述狭槽中限定轴向流体通道，所述流体通道在所述电机(112)的所述第二端部处与所述螺旋流体管道(801)流体连通；
流体输出端(507)，所述流体输出端与所述流体通道流体连通。
2.根据权利要求1所述的电机(112)，还包括导管(802)，所述导管在所述轴向流体通道的每个端部处并被构造成限定通过所述定子(302)的蛇形流体路径。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电机(112)，其中所述定子(302)包括：
磁轭(401)，所述磁轭具有多个齿(601,602)，每个齿从所述磁轭的根部延伸到尖端；
多个线圈(303-310)，所述多个线圈中的每个线圈位于所述多个齿(601)的相应一个齿上；
多个密封构件(901)，所述多个密封构件中的每个密封构件与相邻齿(601,602)的所述尖端接合，以周向和轴向地密封限定的所述狭槽，从而允许冷却流体在所述狭槽中流动。
4.根据权利要求3所述的电机(112)，其中所述密封构件(901)是磁性的。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的电机(112)，其中每个齿(601,602)的所述尖端包括用于接收所述密封构件(901)的轴向沟槽(902)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电机(112)，其中所述线圈(303-310)形成为具有大致平行四边形形状的横截面，使得所述轴向流体通道具有三角形的横截面。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的电机(112)，所述电机具有0.22至0.28的狭槽填充因数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电机(112)，其中所述定子(302)的内径与所述定子(302)的外径的比率为0.6至0.7，优选地为0.63至0.67。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的电机(112)，其中每个齿(601,602)在其根部处的宽度大于或等于其在所述尖端处的宽度，以在所述根部与所述尖端之间限定半封闭的狭槽。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的电机(112)，其中绕线齿(601)的宽度大于退绕齿(602)的宽度。
11.根据权利要求10所述的电机(112)，其中所述绕线齿(601)的宽度是所述退绕齿(602)的宽度的两倍。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电机(112)，其中所述转子(301)包括以海尔贝克阵列布置的永磁体(311)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电机(112)，其中所述定子(302)是具有十六个狭槽和四个线圈对(303,307；304,308；305,309；306,310)的交替缠绕的定子，每个线圈对形成四个独立电相(φa,φb,φc,φd)中的一个电相的一部分并且包括隔开180机械度的线圈。
14.根据权利要求1所述的电机(112)，其中所述冷却剂是油。
15.一种气体涡轮引擎，包括根据前述权利要求中任一项所述的径向磁通旋转电机(112)。
技术总结